JP5655945B2 - Electric double layer capacitor - Google Patents
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Description
本発明は各種電子機器や車載用蓄電装置などに用いられる電気二重層キャパシタに関する。
The present invention relates to various electronic devices and that used such as vehicle power storage device electric double layer capacitor.
電気二重層キャパシタは、キャパシタ素子と、金属ケースと、ゴム封口体とを有する。キャパシタ素子は金属箔の上に活性炭を含んだ電極層が形成された正極と、正極と同様の構成の負極と、正極と負極の間に介在するセパレータとで構成されている。このキャパシタ素子が電解液と共に金属ケース内に収容され、金属ケースの開口部をゴム封口体が封止している。そして、キャパシタ素子から電極を引き出すために、正極、負極それぞれにリード線などの接続部材を接合し、上記ゴム封口体を貫通して引き出された構成である。 The electric double layer capacitor includes a capacitor element, a metal case, and a rubber seal. The capacitor element includes a positive electrode in which an electrode layer containing activated carbon is formed on a metal foil, a negative electrode having a configuration similar to that of the positive electrode, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. The capacitor element is accommodated in the metal case together with the electrolytic solution, and the rubber sealing member seals the opening of the metal case. And in order to pull out an electrode from a capacitor element, connecting members, such as a lead wire, are joined to each of a positive electrode and a negative electrode, and it is the structure pulled through the said rubber sealing body.
従来の電気二重層キャパシタの電解液には、第4級アンモニウム塩や第4級ホスホニウム塩が溶質として使用されている。これらの溶質は、化学的に活性であるという特質を持っている。そのため、これら溶質を用いた電気二重層キャパシタを、特に高温などの厳しい条件下で充放電を繰り返し行うと、負極近傍の電解液のpHがアルカリ側に偏り、負極の電極の表面を電解液が這い上がり、ゴム封口体より外部へ漏液してしまう可能性がある。また、這い上がっていく電解液と接触することにより、ゴム封口体や負極から電極を引き出すリード線が腐食される可能性がある。 A quaternary ammonium salt or a quaternary phosphonium salt is used as a solute in the electrolyte of a conventional electric double layer capacitor. These solutes have the property of being chemically active. Therefore, when the electric double layer capacitor using these solutes is repeatedly charged and discharged under severe conditions such as high temperature, the pH of the electrolyte near the negative electrode is biased toward the alkali side, and the electrolyte on the surface of the negative electrode It may creep up and leak from the rubber seal to the outside. Moreover, the lead wire which pulls out an electrode from a rubber sealing body or a negative electrode may be corroded by contacting with the electrolyte which goes up.
このような課題に対する従来の提案について、図3を参照しながら説明する。図3は、従来の電気二重層キャパシタに用いられる集電体とゴム封口体とを示した模式図である。負極を構成する集電体101にリード線であるタブ端子102が接続され、タブ端子102はゴム封口体103に設けられた貫通孔103Aに挿入される。
A conventional proposal for such a problem will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic view showing a current collector and a rubber seal used in a conventional electric double layer capacitor. A
このような構成において、漏液による腐食の耐性を高めるために、集電体101とタブ端子102の表面に酸化性を有する化学的薬剤を用いた化成皮膜を形成する。そして貫通孔103Aを有するゴム封口体103にブチルゴムを樹脂加硫またはパーオキサイド加硫して、ゴム封口体103の硬度を60〜90(ウォーレス硬度計による)の範囲にする。このような方法が提案されている。
In such a configuration, a chemical conversion film using a chemical agent having an oxidizing property is formed on the surfaces of the
これにより、電解液の溶質に第4級アンモニウム塩や第4級ホスホニウム塩を用いても、ゴム封口体103から外部へ電解液が漏液することを抑制することができる(例えば、特許文献1)。
Thereby, even if a quaternary ammonium salt or a quaternary phosphonium salt is used as the solute of the electrolytic solution, it is possible to suppress the leakage of the electrolytic solution from the
本発明は、高温などの厳しい条件における充放電を行っても、pHの変動や這い上がりが抑制されて信頼性を高められた電気二重層キャパシタである。本発明の電気二重層キャパシタは、電解液が、ラクトン類と、このラクトン類に含まれた第4級アンモニウム塩と式(1)で表される第3級アミン化合物と、を含み、この第3級アミン化合物が0.01wt%以上5wt%以下含まれている。
The present invention, even if the charge and discharge in severe conditions such as high temperature, gas-electric change and creeping of pH is increased reliability is suppressed is double layer capacitor. Electric double layer capacitor of the present invention, the electrolytic solution, and lactones, see containing a tertiary amine compound represented by the quaternary ammonium salt of the formula contained in the lactone (1), the A tertiary amine compound is contained in an amount of 0.01 wt% to 5 wt% .
Cは炭素原子、Hは水素原子、Oは酸素原子、Nは窒素原子を表す。
C represents a carbon atom, H represents a hydrogen atom, O represents an oxygen atom, and N represents a nitrogen atom.
この構成により、電解液中に含まれた微量の水分が起こす溶媒の加水分解を抑制することができる。これにより、電解液中のpHの変動が抑制され、負極近傍における電解液の這い上がりが抑制できる。その結果、このような電解液を用いた電気二重層キャパシタにおいて液漏れを抑制できる。 With this configuration, it is possible to suppress hydrolysis of the solvent caused by a trace amount of water contained in the electrolytic solution. Thereby, the fluctuation | variation of pH in electrolyte solution is suppressed, and the creeping of the electrolyte solution in the negative electrode vicinity can be suppressed. As a result, liquid leakage can be suppressed in the electric double layer capacitor using such an electrolytic solution.
以下、pHの変動や這い上がりが抑制し、電気二重層キャパシタの信頼性を向上する施策として、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の構成は以下の内容に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as measures for suppressing fluctuations and creeping of pH and improving the reliability of an electric double layer capacitor. The configuration of the present invention is not limited to the following contents.
図1は本発明の実施の形態による電気二重層キャパシタの切り欠き斜視図である。この電気二重層キャパシタは、キャパシタ素子1と、図示しない電解液と、ケース6と、封口部材7とを有する。キャパシタ素子1は正極2と、負極3と、正極2と負極3との間に介在したセパレータ4とを有する。電解液はキャパシタ素子1に含浸している。ケース6はキャパシタ素子1と電解液とを収容している。封口部材7はケース6の開口部を封止している。
FIG. 1 is a cutaway perspective view of an electric double layer capacitor according to an embodiment of the present invention. The electric double layer capacitor includes a
正極2は金属製の集電体2Aと、集電体2Aの表面に形成され、電解液中のアニオンを吸脱着可能な分極性電極層2Bとを有する。負極3は金属製の集電体3Aと、集電体3Aの表面に形成され、電解液中のカチオンを吸脱着可能な分極性電極層3Bとを有する。なお図1では、キャパシタ素子1は正極2と負極3の間にセパレータ4を介在させた状態で、これらを巻回して構成されているが、これらを積層して構成してもよい。セパレータ4には例えば厚さ約35μm、密度0.45g/cm3のセルロース系の紙やポリ四フッ化エチレン不織布などが用いられる。The
正極2の表面には引出部材としてリード線5Aが接続され、負極3の表面にはリード線5Bが接続されている。封口部材7には一対の貫通孔7Aが設けられ、リード線5A、5Bは貫通孔7Aを通って外部へと引き出されている。
A lead wire 5 </ b> A is connected to the surface of the
リード線5A、5Bを貫通孔7Aの中を通した状態で、封口部材7を有底筒状のケース6の開口部へ配設する。そして封口部材7が位置するケース6の開口部近傍の外周面からケース6の内部へ向かって絞り加工を施して、ケース6の開口端部にカーリング加工を施す。これらの加工により、封口部材7を圧着および握着し固定する。これにより、ケース6の開口部の封止が完了し、電気二重層キャパシタが完成する。
The sealing
次に正極2、負極3について詳細に説明する。集電体2A、3Aとして例えば厚さ約15μmの高純度アルミニウム箔(Alを99%以上含有)を用いることができる。このアルミニウム箔は塩素系のエッチング液中で電解エッチングをして表面を粗面化されてから使用される。このように粗面化された集電体2A、3Aの表裏面へ分極性電極層2B、3Bをそれぞれ形成する。分極性電極層2B、3Bを構成する材料として、活性炭、結着剤や導電助剤などがある。
Next, the
活性炭は例えば平均粒径5μmのフェノール樹脂系活性炭である。結着剤は例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)の水溶液である。導電助剤は例えばアセチレンブラックである。これらを10:2:1の重量比で混合して混合物を調製する。さらにこの混合物を混練機で練合して粘度を所定の範囲内に調整してぺーストを作製する。 The activated carbon is, for example, a phenol resin activated carbon having an average particle size of 5 μm. The binder is, for example, an aqueous solution of carboxymethyl cellulose (CMC). The conductive auxiliary is, for example, acetylene black. These are mixed in a weight ratio of 10: 2: 1 to prepare a mixture. Further, this mixture is kneaded with a kneader to adjust the viscosity within a predetermined range to produce a paste.
このペーストを集電体2A、3Aの両面に塗布し、100℃の大気雰囲気中において乾燥することにより厚さ40μmの分極性電極層2B、3Bを形成して電極前駆体を作製する。その後、この電極前駆体を所定の幅になるようスリット加工する。さらに、分極性電極層2B、3Bをそれぞれ一部取り除き、露出した集電体2A、3Aにリード線5A、5Bを針かしめなどの方法でそれぞれ接続する。以上のようにして正極2、負極3が完成する。
This paste is applied to both surfaces of the
なお活性炭として、フェノール樹脂系活性炭以外に、ヤシ殻、木粉、紙、石油コークス、石油ピッチ、などを原料にした炭素材料などを用いてもよい。その表面においてイオンを吸脱着させる多孔質体であれば特に限定されない。 As the activated carbon, in addition to the phenol resin-based activated carbon, a carbon material made of coconut shell, wood powder, paper, petroleum coke, petroleum pitch, or the like may be used. There is no particular limitation as long as it is a porous body that absorbs and desorbs ions on its surface.
ケース6は放熱性の観点から例えばアルミニウムや銅やニッケルなどの金属で形成されている。金属の種類は電解液と反応を生じる虞の低い材料であれば特に限定されない。またケース6は角柱ケースやラミネートタイプでもよい。
The
封口部材7の材質には、例えばブチルゴムなどが挙げられる。しかしながら弾性を有するゴム材であれば、特に限定されない。
Examples of the material of the sealing
次に電解液について説明する。電解液は、有機溶媒と、この有機溶媒に含まれた溶質と式(1)で表される第3級アミン化合物と、を含む。 Next, the electrolytic solution will be described. The electrolytic solution contains an organic solvent, a solute contained in the organic solvent, and a tertiary amine compound represented by the formula (1).
R1、R2はメチル基またはエチル基、R3は3つ以上の炭素原子で構成された直鎖と末端炭素に結合したヒドロキシ基を有する官能基、Cは炭素原子、Hは水素原子、Oは酸素原子、Nは窒素原子を表す。R 1 and R 2 are a methyl group or an ethyl group, R 3 is a functional group having a hydroxy group bonded to a straight chain and a terminal carbon composed of three or more carbon atoms, C is a carbon atom, H is a hydrogen atom, O represents an oxygen atom, and N represents a nitrogen atom.
有機溶媒は溶質を構成するアニオンとカチオンとを電離できる非プロトン性溶媒であれば特に限定されない。例えば典型例としてγ−ブチロラクトンやプロピレンカーボネートなどを用いることができる。他にもラクトン類では、γ−カプロラクトン、γ−バレロラクトンなどでもよく、カーボネート類ではエチレンカーボネートなどを用いることができる。あるいはスルホラン類でもよい。またこれらを混合して用いてもよい。 The organic solvent is not particularly limited as long as it is an aprotic solvent capable of ionizing anions and cations constituting the solute. For example, γ-butyrolactone or propylene carbonate can be used as a typical example. In addition, lactones may be γ-caprolactone, γ-valerolactone, etc., and carbonates may be ethylene carbonate. Alternatively, sulfolanes may be used. Moreover, you may mix and use these.
溶質には、例えば第4級アンモニウム塩であるエチルトリメチルアンモニウムテトラフルオロボレート(ETMA+BF4 −)を用いることができる。溶質のアニオンとしてはフッ素原子を含んだものが耐電圧特性的に好ましく、特にBF4 −あるいはPF6 −がよい。溶質の濃度は0.5〜2.0mol/lの範囲が好ましい。For example, ethyltrimethylammonium tetrafluoroborate (ETMA + BF 4 − ), which is a quaternary ammonium salt, can be used as the solute. As the solute anion, those containing a fluorine atom are preferable in terms of withstand voltage characteristics, and BF 4 − or PF 6 − is particularly preferable. The concentration of the solute is preferably in the range of 0.5 to 2.0 mol / l.
溶質にはオニウム塩が好ましく、その中で、第4級アンモニウム塩が好ましく、その中でもETMA+のように、窒素原子を囲う4つの官能基のうち少なくとも1つの官能基が他の官能基と異なる構成の第4級アンモニウム塩が好ましい。このような第4級アンモニウム塩は、他の第4級アンモニウム塩と比べて、電気二重層キャパシタ内における電解液の這い上がりを抑制する点で優れている。The solute is preferably an onium salt, of which a quaternary ammonium salt is preferred, and among them, at least one functional group of four functional groups surrounding the nitrogen atom is different from other functional groups, such as ETMA +. A quaternary ammonium salt having a constitution is preferred. Such a quaternary ammonium salt is superior to other quaternary ammonium salts in that it suppresses the electrolyte from creeping up in the electric double layer capacitor.
なお、溶媒、溶質は、上記化学種に限定されず、電解液中において、正極2および負極3において電気二重層を形成するものであれば限定されない。
In addition, a solvent and a solute are not limited to the said chemical species, If it forms an electric double layer in the
そしてこの電解液に、式(1)に示す第3級アミン化合物を含ませる。電解液におけるこの第3級アミン化合物の含有率は、0.01wt%以上、5wt%以下であることが好ましい。この化合物は、電解液中において緩衝剤として機能し、電解液中のpHの変動を抑制する。そのため、電解液中に含まれる微量の水分によって生じる溶媒の加水分解が抑制され、電解液中のpHの変動が抑制され、信頼性を向上させることができる。 And the tertiary amine compound shown to Formula (1) is included in this electrolyte solution. The content of the tertiary amine compound in the electrolytic solution is preferably 0.01 wt% or more and 5 wt% or less. This compound functions as a buffer in the electrolytic solution, and suppresses fluctuations in pH in the electrolytic solution. Therefore, hydrolysis of the solvent caused by a small amount of water contained in the electrolytic solution is suppressed, fluctuations in pH in the electrolytic solution are suppressed, and reliability can be improved.
なお、式(1)において、R3は、主に炭素原子3つ以上の直鎖と、その末端に結合したヒドロキシ基とを有する。このR3を構成する炭素原子は側鎖部分に、水素やアルキル基などを有していたり、他には、ハロゲン原子、やハロゲン置換アルキル基などで置換されたりしていてもよい。In the formula (1), R 3 mainly has a straight chain having 3 or more carbon atoms and a hydroxy group bonded to the terminal thereof. The carbon atom constituting R 3 may have hydrogen or an alkyl group in the side chain portion, or may be substituted with a halogen atom or a halogen-substituted alkyl group.
また、電極近傍においてpHの変動とともに溶媒の分解が生じる虞があるが、第3級アミン化合物を電解液中に用いることにより、この溶媒の分解も抑制することができる。これにより電解液の組成比の変動を抑え、充放電サイクルの進行に伴う容量、抵抗などの特性の低下を抑制することができる。 Moreover, although there exists a possibility that decomposition | disassembly of a solvent may arise with the fluctuation | variation of pH near an electrode, decomposition | disassembly of this solvent can also be suppressed by using a tertiary amine compound in electrolyte solution. Thereby, the fluctuation | variation of the composition ratio of electrolyte solution can be suppressed, and the fall of characteristics, such as a capacity | capacitance and resistance accompanying progress of a charging / discharging cycle, can be suppressed.
式(1)によって表される第3級アミン化合物の生成方法は、特に限定されないが、一例として、以下の方法で生成することができる。すなわち、対応するアルキルハロメチルケトンとジメチルアミンとを原料として用いる。これらの原料をエタノールなどのアルコール類の溶媒中で反応させる。このような操作によって第3級アミン化合物を生成できる。 Although the production | generation method of the tertiary amine compound represented by Formula (1) is not specifically limited, As an example, it can produce | generate with the following method. That is, the corresponding alkyl halomethyl ketone and dimethylamine are used as raw materials. These raw materials are reacted in an alcohol solvent such as ethanol. A tertiary amine compound can be produced by such an operation.
上記原料を添加するアルコール類は例えば原料の重量に対して3倍〜50倍の量を使用する。反応が進行するとハロゲン化水素が発生し、生成したアミン化合物はハロゲン化水素塩となっている。そのため、適当な塩基を用いて反応生成物を中和することで目的のアミン化合物を得ることができる。また必要に応じて精製して電解液に用いる。 The alcohol to which the raw material is added is, for example, 3 to 50 times the amount of the raw material. As the reaction proceeds, hydrogen halide is generated, and the produced amine compound is a hydrogen halide salt. Therefore, the target amine compound can be obtained by neutralizing the reaction product using an appropriate base. Moreover, it refine | purifies as needed and uses it for electrolyte solution.
(性能評価試験)
以下、本実施の形態による電解液および電気二重層キャパシタの効果を具体的な例を用いて説明する。(Performance evaluation test)
Hereinafter, effects of the electrolytic solution and the electric double layer capacitor according to the present embodiment will be described using specific examples.
サンプル1の電解液は、有機溶媒としてγ−ブチロラクトンを含む。また溶質として第4級アンモニウム塩であるETMA+BF4 −を含む。その濃度は1.0mol/lである。また第3級アミン化合物の一例として、式(2)で示される化合物Aを、1.0wt%含む。The electrolyte solution of
サンプル2の電解液は、化合物Aを含まない点を除いてサンプル1と同じ構成の電解液である。
The electrolyte solution of
これらサンプル1、2を、図2に示すH型セルを用いて評価する。図2は本発明の実施の形態における電解液の性能評価試験に用いたH型セルの模式図である。H型セルは、H型のガラスケース26と、正極22と負極23と、ガラスフィルター24とを有する。ガラスケース26は一対の有底筒状のセル部26Aと、セル部26Aを繋ぐ筒状の中継部26Bから構成されている。正極22、負極23はPt箔で形成され、それぞれのセル部26Aに収容されている。ガラスフィルター24は中継部26B内に配置されて正極22と負極23とを隔離している。そしてガラスケース26内に電解液28が満たされている。正極22、負極23は電源29と電気的に接続されている。
These
ドライルーム内において、図2に示すH型セルを用いてサンプル1、2に対して1mA/cm2の電流密度で60分間、直流電流を印加する。そして、負極23側の電解液28のpHを印加開始時刻から、60分時点まで測定し、20分と60分経過段階での負極23側のpHをそれぞれのサンプルにおいて比較する。
In a dry room, a direct current is applied to
またサンプル1、2の電解液を用いた電気二重層キャパシタを作製して、60℃、2.5V、250時間の条件下でライフ試験を実施する。そして250時間後のそれぞれの電気二重層キャパシタの容量保持率を比較する。
In addition, an electric double layer capacitor using the electrolyte solutions of
これらの評価結果を(表1)に示す。(表1)より、化合物Aを含むサンプル1の電解液は、サンプル2に比べてpHの変動が抑制されており、pH値が低い。またサンプル1の電解液を用いた電気二重層キャパシタは、サンプル2の電解液を用いた電気二重層キャパシタに比べて容量の劣化が抑制されていることがわかる。
The evaluation results are shown in (Table 1). From Table 1, the electrolyte solution of
以上のように、本実施の形態の電解液は、電解液中の化合物として、式(1)で表される第3級アミン化合物を含む。これにより、第3級アミン化合物が電解液中の水分に作用することにより、溶媒の加水分解を抑制する。そのため、この電解液を用いた電気二重層キャパシタの充放電を繰り返す中で起きる虞がある電解液中のpHの変動を抑制することができる。 As described above, the electrolytic solution of the present embodiment includes the tertiary amine compound represented by the formula (1) as the compound in the electrolytic solution. Thereby, a tertiary amine compound acts on the water | moisture content in electrolyte solution, and suppresses hydrolysis of a solvent. Therefore, it is possible to suppress fluctuations in pH in the electrolytic solution that may occur during repeated charging and discharging of the electric double layer capacitor using the electrolytic solution.
なお化合物A以外に、R1、R2のいずれか一方または両方がエチル基の場合も同様の結果を示すことを確認している。In addition to compound A, it has been confirmed that the same result is obtained when either or both of R 1 and R 2 are ethyl groups.
以上の説明では、電解液に含まれる第3級アミン化合物は、意図的に電解液へ含有させてきたが、本発明の構成はこれに限定されない。例えば、溶質として第4級アンモニウム塩、溶媒としてγ―ブチロラクトンが用いられているとき、これらが反応し以下の反応によって第3級アミン化合物が生成される。このように電気二重層コンデンサを組み立てた後に第3級アミン化合物が生成してもpHの変動が抑制される。 In the above description, the tertiary amine compound contained in the electrolytic solution has been intentionally included in the electrolytic solution, but the configuration of the present invention is not limited to this. For example, when a quaternary ammonium salt is used as a solute and γ-butyrolactone is used as a solvent, these react to produce a tertiary amine compound by the following reaction. Thus, even if the tertiary amine compound is formed after the electric double layer capacitor is assembled, the fluctuation in pH is suppressed.
上記反応式は、ステップ1〜6から構成されている。ステップ1では、電解液に微量含まれる水分が電気分解して生じる水酸化物イオン(OH−)が、カチオンであるエチルトリメチルアンモニウムカチオンのメチル基の水素原子を攻撃する。その結果、このメチル基はプロトンを放出する。そのため、アンモニウムイリドが生成する。The above reaction formula consists of steps 1-6. In
ステップ2では、このアンモニウムイリドが溶媒であるγ―ブチロラクトンと反応することにより、一つの化合物を形成する。その後、ステップ3に示すように、この化合物が安定化するためにγ―ブチロラクトンに由来する5員環が開き、ステップ4に示すカルボニル基を有する化合物を形成する。
In
この化合物と電解液に含まれる水分とがステップ5に示すように反応し、最終的にステップ6に示すように分子量145の第3級アミン化合物の一種である化合物Aが生成する。
This compound reacts with moisture contained in the electrolytic solution as shown in Step 5, and finally, as shown in
そして、この反応から生成される化合物Aが電解液にが、0.01wt%以上、5wt%以下の範囲の含有率で含まれることにより、充放電サイクルに伴う電気二重層キャパシタの特性低下を抑制することができる。 The compound A produced from this reaction is contained in the electrolyte at a content in the range of 0.01 wt% or more and 5 wt% or less, thereby suppressing the deterioration of the characteristics of the electric double layer capacitor accompanying the charge / discharge cycle. can do.
第3級アミン化合物の電解液中における含有率は、キャパシタ素子1に存在する水分の量に依存する。この水分の量とは、キャパシタ素子1を構成する正極2、負極3、セパレータ4、電解液から除去しきれなかった水分に加え、電気二重層キャパシタを用いてサイクル充放電を行った際に、キャパシタ素子1に含まれるセルロース成分が分解されて生成される水分も含まれる。また、充放電環境として、60℃以上の高温条件で充放電されることが生成条件として好ましい。
The content of the tertiary amine compound in the electrolytic solution depends on the amount of moisture present in the
また、以上の説明では、アンモニウムイリドを形成するカチオンとして、エチルトリメチルアンモニウムカチオンを用いて説明したがこれに限定されない。置換基がメチル基、エチル基から構成される第4級アンモニウムカチオンでは、他に、ジメチルジエチルアンモニウムカチオンなども用いることができる。 In the above description, the ethyltrimethylammonium cation is used as the cation forming ammonium ylide, but the present invention is not limited to this. In addition, a dimethyldiethylammonium cation etc. can be used in the quaternary ammonium cation whose substituent is composed of a methyl group or an ethyl group.
次に、電気二重層コンデンサ組み立て後に第3級アミン化合物が生成する場合の効果を、具体的な例を用いて説明する。 Next, the effect when a tertiary amine compound is produced after the electric double layer capacitor is assembled will be described using a specific example.
サンプル3〜8は、キャパシタ素子1内の水分の量が異なることを除いて、溶質としてETMA+BF4 −、溶媒としてγ―ブチロラクトンを用いて濃度が0.9mol/lである電解液を用いている。これ以外はサンプル1と同様にして電気二重層キャパシタを作製している。サンプル9は溶質としてテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレートを用いたことを除いてサンプル4の構成と同じである。これらサンプル3〜8の電気二重層キャパシタを対象にライフ試験を行う。なお、本試験は、60℃、2.5V、250時間の条件下で実施し、試験後のそれぞれの電気二重層キャパシタの第3級アミン化合物の生成量、電解液のpH値、容量保持率を比較している。その結果を(表2)に示す。
第3級アミン化合物の含有率が0.01wt%以上、5wt%以下の内にあるサンプル3〜5ではpHの変化が抑制されるとともに容量保持率にも著しい低下は認められない。一方、第3級アミン化合物の含有率が5wt%を超えたサンプル6、7、第3級アミン化合物の含有率が0.01wt%に満たないサンプル8およびカチオンが異なるサンプル9は、容量保持率が低下するとともに、pHが上昇してアルカリ化が促進している。
In
このようにキャパシタ素子1内の水分量がある程度の範囲にあり、第3級アミン化合物が電解液中に0.01wt%以上、5wt%以下含まれる条件が整うとpHの変化や容量保持率の低下が抑制される。
Thus, when the moisture content in the
次に、第3級アミン化合物と同様の効果を奏する他の化合物について説明する。 Next, other compounds having the same effect as the tertiary amine compound will be described.
電解液およびそれを用いた電気二重層キャパシタは、電解液中に、式(3)に示すカチオンを有した第4級アンモニウム塩を含む構成であってもよい。この場合にも電解液中のpHの変動を抑制することができる。 The electrolytic solution and the electric double layer capacitor using the electrolytic solution may include a quaternary ammonium salt having a cation represented by formula (3) in the electrolytic solution. In this case as well, fluctuations in pH in the electrolytic solution can be suppressed.
(Nは窒素を表し、R1〜R3は炭素数1以上の有機の置換基を表し、R1〜R3はその組成が同一または少なくとも一つが異なる。Rαは炭素数1以上であり、Rαを構成する炭素原子に電子求引性基を有する。R1〜R3およびRαのうち少なくとも一つの置換基は窒素原子に最も近い炭素原子に水素原子が結合している)。(N represents nitrogen, R 1 to R 3 represent organic substituents having 1 or more carbon atoms, and R 1 to R 3 have the same or different composition. R α is 1 or more carbon atoms. At least one of the substituents is a hydrogen atom closest carbon atom to the nitrogen atom of the .R 1 to R 3 and R alpha having an electron-withdrawing group to a carbon atom constituting the R alpha is attached).
上記カチオンは、pHの変動の原因である電解液中のOH−と反応し、この反応から、下記の式(4)で表される窒素原子および炭素原子の結合を有した窒素イリドを容易に生成できる。この反応により、電気二重層キャパシタが充放電を繰り返す際に、電解液中にOH−が増えることが抑制され、電解液中のpHがアルカリ側に変動することが抑制される。The cation reacts with OH − in the electrolytic solution that causes the fluctuation of pH, and from this reaction, nitrogen ylide having a nitrogen atom and carbon atom bond represented by the following formula (4) is easily formed. Can be generated. By this reaction, when the electric double layer capacitor repeats charging and discharging, an increase in OH − in the electrolytic solution is suppressed, and a change in pH in the electrolytic solution to the alkali side is suppressed.
(Cは炭素、Nは窒素、Ra〜Reは有機または無機の置換基を表す)。(C represents carbon, N represents nitrogen, and R a to R e represent organic or inorganic substituents).
上記カチオンは、窒素原子の周囲に存在する置換基R1〜R3およびRαのうち少なくとも一つの置換基において、窒素原子と直接結合した炭素原子に水素原子が結合している。pHの変動抑制の効果を発現するために、上記カチオンを用いてOH−と反応させ窒素イリドを生成させる必要がある。すなわち、この水素原子がイオン化して生じるプロトンと電解液中のOH−と反応する必要がある。つまり、プロトンとOH−を反応し易くするために、この水素原子の電子密度を下げて、上記カチオンにおいて、上記水素原子の引き抜きが容易になる状態を作り出す必要がある。In the cation, a hydrogen atom is bonded to a carbon atom directly bonded to the nitrogen atom in at least one of the substituents R 1 to R 3 and R α existing around the nitrogen atom. In order to exhibit the effect of suppressing the fluctuation in pH, it is necessary to react with OH − using the cation to generate nitrogen ylide. That is, it is necessary to react protons generated by ionization of the hydrogen atoms with OH − in the electrolytic solution. That is, in order to facilitate the reaction between protons and OH − , it is necessary to lower the electron density of the hydrogen atoms to create a state in which the hydrogen atoms can be easily extracted in the cation.
電子密度を下げる方法として、ここでは、化学式(3)におけるRαの炭素上に電子求引性基が少なくとも一つ結合している。Rα上に電子求引性基を設けることにより、窒素イリドの形成に関わる水素原子の電子密度を下げ、その水素原子を引き抜きやすくなる。これにより、上記カチオンにおけるOH−との反応を促進させることが可能となる。Here, as a method for reducing the electron density, at least one electron withdrawing group is bonded to the carbon of R α in the chemical formula (3). By providing the electron-withdrawing group on R alpha, lower the electron density of the hydrogen atoms involved in the formation of nitrogen ylide, easily pull out the hydrogen atom. Thereby, it becomes possible to promote reaction with OH − in the cation.
なお、電子求引性基には、例えば−F、−Cl、−Br、−OR、=O、−COR、−CO2R、−NO2、−SO2R、−CN、−CR=CR2、−C≡R、−CHxFy、−CHvFw−CHxFyが挙げられる。ここで−、=、≡は原子または分子の結合状態を表し、Rは無機または有機の置換基を表し、それ以外は周期表に基づいた原子を表す。また、v、wは0以上、2以下の整数でありv+w=2を満たし、x、yは0以上、3以下の整数でありx+y=3を満たす。これらの中で、−F、−COR、−NO2、−CNなどは電子求引性が高く、OH−との反応を促進することができる。Note that the electron-withdrawing group, for example -F, -Cl, -Br, -OR, = O, -COR, -CO 2 R, -
なお、式(3)における、R1〜R3は、中心に位置する窒素原子と結合する炭素数1以上の有機の置換基である。R1〜R3は、上記電子求引性基を有した構成であってもよい。また上述の電子密度低減の効果は、式(3)に示すカチオンに設けられた電子求引性基とイリド生成時に引き抜かれる水素原子との位置関係により効果のバラつきは起こり得る。しかしながら、電子求引性基を有することにより、電子求引性基のない従来の第4級アンモニウム塩に比べて、アルカリ化が抑制される。そのため、この第4級アンモニウム塩のイリド化を促進させようとした場合、引き抜かれる水素原子をもった炭素原子に上記電子求引性基を結合させた構成が好ましい。In the formula (3), R 1 to R 3 are organic substituents having 1 or more carbon atoms bonded to the nitrogen atom located at the center. R 1 to R 3 may have a configuration having the electron withdrawing group. In addition, the above-described effect of reducing the electron density may vary depending on the positional relationship between the electron-withdrawing group provided in the cation represented by the formula (3) and the hydrogen atom extracted during ylide generation. However, by having an electron withdrawing group, alkalization is suppressed as compared with a conventional quaternary ammonium salt having no electron withdrawing group. Therefore, when it is intended to promote the ylation of the quaternary ammonium salt, a configuration in which the electron withdrawing group is bonded to a carbon atom having a hydrogen atom to be extracted is preferable.
しかし、この窒素イリドは、一般的に不安定であり、安定的に生成させることは難しい。それを解決する手段の一つとして、電子求引基によって窒素原子と結合している炭素原子の電子密度を低減することが挙げられる。これは、電子求引性基を用いて炭素原子の電子密度を低減することにより、電子密度を分子内に広く分散できるためである。これにより窒素イリドの分解を抑え、窒素イリドが安定になる。 However, this nitrogen ylide is generally unstable and it is difficult to produce it stably. One means for solving this is to reduce the electron density of the carbon atom bonded to the nitrogen atom by the electron withdrawing group. This is because the electron density can be widely dispersed in the molecule by reducing the electron density of the carbon atom using the electron withdrawing group. Thereby, decomposition | disassembly of nitrogen ylide is suppressed and nitrogen ylide becomes stable.
このように窒素イリドが安定化することによって、第4級アンモニウム塩から窒素イリドへ反応する過程に存在するエネルギー障壁がより小さくなる。そのため、イリドへの反応を促進することが可能となる。したがって、特に高温条件化においても電解液中のOH−と式(3)に示す第4級アンモニウムカチオンとが安定して反応し、キャパシタ内のpHの変動を抑制させることができる。By stabilizing the nitrogen ylide in this way, the energy barrier existing in the process of reacting from the quaternary ammonium salt to the nitrogen ylide becomes smaller. Therefore, the reaction to ylide can be promoted. Therefore, OH − in the electrolytic solution and the quaternary ammonium cation represented by the formula (3) react stably even under high temperature conditions, and the fluctuation of the pH in the capacitor can be suppressed.
さらに、この窒素イリドは適当な二重結合を有する物質を反応することができる。例えば、カルボニル基を有するγ−ブチロラクトンやプロピレンカーボネート等と反応し、電気特性に影響を及ぼさない電気的に中性な物質に変換される。 Further, the nitrogen ylide can react with a substance having an appropriate double bond. For example, it reacts with γ-butyrolactone having a carbonyl group, propylene carbonate, etc., and is converted into an electrically neutral substance that does not affect the electrical characteristics.
なお、式(3)に示すカチオンを含む第4級アンモニウム塩の生成方法は特に限定されないが、一例として以下の方法が挙げられる。 In addition, although the production | generation method of the quaternary ammonium salt containing the cation shown in Formula (3) is not specifically limited, The following methods are mentioned as an example.
まずオートクレーブに炭酸ジメチル(9.0g、100mmol)と電子吸引基を有するアミン(100mmol)と溶媒のメタノールを入れ、撹拌しながら115℃、0.5MPaで12時間反応させる。反応後、未反応の原料と溶媒をエヴァポレーターで除去してメチル化物のメチル炭酸塩を得る。このメチル炭酸塩を水に溶解し、減圧下で加熱することでメタノールをさらに除去する。 First, dimethyl carbonate (9.0 g, 100 mmol), an amine (100 mmol) having an electron-withdrawing group, and methanol as a solvent are placed in an autoclave and reacted at 115 ° C. and 0.5 MPa for 12 hours while stirring. After the reaction, unreacted raw materials and solvent are removed by an evaporator to obtain methyl carbonate of methylated product. This methyl carbonate is dissolved in water and heated under reduced pressure to further remove methanol.
次に、メチル炭酸塩と等モルになるように、テトラフルオロホウ酸の水溶液をメチル炭酸塩の水溶液に添加し、加熱・撹拌する。ガス発生が止まったら、減圧下で加熱してさらにガスを除去する。その後、水を蒸発させるなどにより除去すれば式(3)に示す第4級アンモニウム塩の一例を調製することができる。 Next, an aqueous solution of tetrafluoroboric acid is added to the aqueous solution of methyl carbonate so as to be equimolar with the methyl carbonate, and the mixture is heated and stirred. When gas generation ceases, the gas is further removed by heating under reduced pressure. Then, if water is removed by evaporating or the like, an example of a quaternary ammonium salt represented by the formula (3) can be prepared.
なお、式(3)において、R1〜R3は、炭素数が2以下の置換基であり、窒素原子を囲うRαを含めたこれら4つの置換基の中で、炭素数が1の置換基が2つまたは3つある構成が好ましい。このような炭素数の関係で構成された第4級アンモニウム塩はイリドを形成しやすい。そして、このような第4級アンモニウム塩に電子求引性基を設けることにより、本来のイリド化し易さに加えてイリドの安定化を向上させることができる。これにより、電気二重層キャパシタ内のpH変動をより抑制することができる。このことから、上記の電子求引性基の効果と引き抜かれる水素原子との位置関係を考慮すると、上記Rαは炭素数が1である構成が好ましい。In the formula (3), R 1 to R 3 are substituents having 2 or less carbon atoms, and among these four substituents including R α surrounding the nitrogen atom, the substitution having 1 carbon atom is performed. A configuration having two or three groups is preferred. A quaternary ammonium salt constituted with such a carbon number relationship is liable to form an ylide. And by providing an electron withdrawing group in such a quaternary ammonium salt, the stabilization of ylide can be improved in addition to the ease of iridation. Thereby, the pH fluctuation in the electric double layer capacitor can be further suppressed. Therefore, in consideration of the positional relationship between the effect of the electron withdrawing group and the hydrogen atom to be extracted, the R α preferably has a configuration with 1 carbon atom.
次に、さらに異なる化合物を適用する例を説明する。すなわち、電解液およびそれを用いた電気二重層キャパシタは、電解液中に、式(5)に示すカチオンを有した第4級ホスホニウム塩を含む構成であってもよい。この場合にも電解液中のpHの変動を抑制することができる。 Next, an example in which a different compound is applied will be described. That is, the electrolytic solution and the electric double layer capacitor using the electrolytic solution may include a quaternary phosphonium salt having a cation represented by formula (5) in the electrolytic solution. In this case as well, fluctuations in pH in the electrolytic solution can be suppressed.
Pはリンを表し、R1〜R3は炭素数1以上の有機の置換基を表し、R1〜R3の組成は同一または少なくとも一つが異なる。Rαは炭素数1以上であり、Rαを構成する炭素原子に電子求引性基を有し、R1〜R3およびRαのうち少なくとも一つの置換基はリン原子に最も近い炭素原子に水素原子が結合している。ここで、式(5)に設けられる電子求引性基は、式(3)の場合と同様である。P represents phosphorus, R 1 to R 3 represent organic substituents having 1 or more carbon atoms, and the compositions of R 1 to R 3 are the same or at least one different. The
なお、この第4級ホスホニウム塩の生成方法は特に限定されないが、一例として以下の方法が挙げられる。 In addition, although the production | generation method of this quaternary phosphonium salt is not specifically limited, The following method is mentioned as an example.
不活性雰囲気中でトリフェニルホスフィンをテトラヒドロフランなどの適当な溶媒に溶解させ、アルキルハライドと反応させてアルキルトリフェニルホスフィンハライドを調製する。次にアニオン交換反応によって、式(5)に示すカチオンを含む第4級ホスホニウム塩の一例であるアルキルトリフェニルホスフィンテトラフルオロホウ酸を調製することができる。 In an inert atmosphere, triphenylphosphine is dissolved in a suitable solvent such as tetrahydrofuran and reacted with alkyl halide to prepare alkyltriphenylphosphine halide. Next, alkyltriphenylphosphine tetrafluoroborate, which is an example of a quaternary phosphonium salt containing a cation represented by formula (5), can be prepared by anion exchange reaction.
式(5)に示すカチオンにおいて、リン原子を囲うRαを含めた4つの置換基の中で、炭素数が1の置換基が2つまたは3つある構成が好ましい。このような炭素数の関係で構成された第4級ホスホニウム塩はイリドを形成しやすく、このような第4級ホスホニウム塩に電子求引性基を設けることにより、本来のイリド化し易さに加えてイリドの安定化を向上させることができる。これにより、電気二重層キャパシタ内のpH変動をより抑制することができる。このことから、上記の電子求引性基の効果と引き抜かれる水素原子との位置関係を考慮すると、上記Rαは炭素数が1である構成が好ましい。 In the cation represented by the formula (5), a structure having 2 or 3 substituents having 1 carbon atom among the four substituents including R α surrounding the phosphorus atom is preferable. A quaternary phosphonium salt configured in such a relationship with the number of carbons easily forms an ylide, and by providing an electron withdrawing group in such a quaternary phosphonium salt, in addition to the original ylidization ease. Thus, stabilization of ylide can be improved. Thereby, the pH fluctuation in the electric double layer capacitor can be further suppressed. Therefore, in consideration of the positional relationship between the effect of the electron withdrawing group and the hydrogen atom to be extracted, the R α preferably has a configuration with 1 carbon atom.
次に、さらに異なる化合物を適用する例を説明する。すなわち、電解液およびそれを用いた電気二重層キャパシタは、電解液中に、式(6)、式(7)に示すカチオンを有した第3級スルホニウム塩または第3級スルホオキソニウム塩を含む構成であってもよい。この場合にも電解液中のpHの変動を抑制することができる。 Next, an example in which a different compound is applied will be described. That is, an electrolytic solution and an electric double layer capacitor using the same include a tertiary sulfonium salt or a tertiary sulfooxonium salt having a cation represented by formula (6) or formula (7) in the electrolytic solution. It may be a configuration. In this case as well, fluctuations in pH in the electrolytic solution can be suppressed.
ただし、Sは硫黄を表し、Oは酸素を表し、R1、R2は炭素数1以上の有機の置換基を表し、R1、R2の組成は同一または異なる。Rαは炭素数1以上であり、Rαを構成する炭素原子に電子求引性基を有する。R1、R2およびRαのうち少なくとも一つの置換基はカチオンの硫黄原子に最も近い炭素原子に水素原子が結合している。ここで、式(6)、式(7)に設けられる電子求引性基は、式(3)の場合と同様である。 However, S represents sulfur, O represents oxygen, R 1 and R 2 represent organic substituents having 1 or more carbon atoms, and the compositions of R 1 and R 2 are the same or different . R α has 1 or more carbon atoms and has an electron withdrawing group on the carbon atom constituting R α . At least one substituent of R 1 , R 2 and R α has a hydrogen atom bonded to the carbon atom closest to the sulfur atom of the cation. Here, the electron withdrawing group provided in Formula (6) and Formula (7) is the same as in Formula (3).
なお、上記の第3級スルホニウム塩または第3級スルホオキソニウム塩の生成方法は特に限定されないが、一例として以下の方法が挙げられる。 In addition, although the production | generation method of said tertiary sulfonium salt or tertiary sulfooxonium salt is not specifically limited, The following method is mentioned as an example.
不活性雰囲気中でテトラヒドロフランなどの適当な溶媒に溶解させた有機硫黄化合物にトリアルキルオキソニウムテトラフルオロホウ酸を加え、常温・常圧で撹拌して反応させる。反応後、溶媒と未反応の原料を除去し、減圧乾燥することで対応する塩を調製することができる。 Trialkyloxonium tetrafluoroboric acid is added to an organic sulfur compound dissolved in an appropriate solvent such as tetrahydrofuran in an inert atmosphere, and the mixture is reacted by stirring at room temperature and normal pressure. After the reaction, the corresponding salt can be prepared by removing the solvent and unreacted raw material and drying under reduced pressure.
なお上記有機硫黄化合物として、第3級スルホニウム塩を調製する場合はスルフィドを用い、第3級スルホキソニウム塩を調製する場合にはスルホキシドを用いる。または、アリールスルフィドまたはアリールスルホキシドを用いる場合、適当なアルキルハライドとホウフッ化銀との共存下で反応させることで、対応するスルホニウム塩またはスルホオキソニウム塩を調製することができる。 As the organic sulfur compound, sulfide is used when preparing a tertiary sulfonium salt, and sulfoxide is used when preparing a tertiary sulfoxonium salt. Alternatively, when aryl sulfide or aryl sulfoxide is used, the corresponding sulfonium salt or sulfooxonium salt can be prepared by reacting in the presence of an appropriate alkyl halide and silver borofluoride.
このように、オニウム塩の置換基に電子吸引性基を設けることによりアルカリ化抑制の効果を高めることができる。 Thus, the effect of inhibiting alkalinization can be enhanced by providing an electron-withdrawing group in the substituent of the onium salt.
本発明における電解液では、pHの変動が抑制される。そのためこの電解液を用いた電気二重層キャパシタでは電解液が外部へ漏出することが抑制される。したがって、本発明における電気二重層キャパシタは蓄電装置として高い信頼性を有する。そのため、高い信頼性が求められる電子機器用途や車載用途において利用可能である。 In the electrolytic solution of the present invention, pH fluctuation is suppressed. Therefore, in the electric double layer capacitor using this electrolytic solution, the electrolytic solution is prevented from leaking to the outside. Therefore, the electric double layer capacitor in the present invention has high reliability as a power storage device. Therefore, it can be used in electronic equipment applications and in-vehicle applications that require high reliability.
1 キャパシタ素子
2 正極
2A,3A 集電体
2B,3B 分極性電極層
3 負極
4 セパレータ
5A,5B リード線
6 ケース
7 封口部材
7A 貫通孔
22 正極
23 負極
24 ガラスフィルター
26 ガラスケース
26A セル部
26B 中継部
28 電解液
29 電源DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記キャパシタ素子を電解液とともに収容したケースとを備え、
前記電解液が、
ラクトン類と、
前記ラクトン類に含まれた第4級アンモニウム塩と式(1)で表される第3級アミン化合物とを含み、
前記第3級アミン化合物が0.01wt%以上5wt%以下含まれている電気二重層キャパシタ。
Cは炭素原子、Hは水素原子、Oは酸素原子、Nは窒素原子を表す。 A capacitor element having a positive electrode and a negative electrode;
A case containing the capacitor element together with an electrolytic solution;
The electrolyte is
Lactones ,
A quaternary ammonium salt contained in the lactone and a tertiary amine compound represented by the formula (1),
An electric double layer capacitor comprising the tertiary amine compound in an amount of 0.01 wt% to 5 wt% .
C represents a carbon atom, H represents a hydrogen atom, O represents an oxygen atom, and N represents a nitrogen atom.
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